專利名稱：一種改變等離子體參數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫等離子體產(chǎn)生及控制領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種改變等離子體參數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)，廣泛的應(yīng)用于等離子體冶煉、等離子體噴涂和等離子體焊接領(lǐng)域中。具有廣泛的應(yīng)用，其中等離子體的離子產(chǎn)生方法包括1.射頻電離等離子體源，應(yīng)用高溫等離子體，等離子體波研究等。2.電子回旋共振等離子體源。3.微波等離子體源，應(yīng)用低溫等離子體，空間環(huán)境模擬，等離子體天線等。 4.束-等離子體離子源，利用的是在陰極和陽極之間的電子束或直線直流電弧放電。電子束與包含有用成分的氣體相互作用產(chǎn)生等離子體，離子從等離子體中引出，然后用分離的電極把離子加速到希望的能量。他們的一個(gè)共同特點(diǎn)就是都是在密閉空間中產(chǎn)生。現(xiàn)有的人工控制改變等離子體參數(shù)技術(shù)，都是通過控制腔內(nèi)氣體密度，或改變電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到改變等離子體參數(shù)的目的。但是通過改變腔內(nèi)氣體的密度的方法要求必須在密閉容器內(nèi)進(jìn)行，改變的也是容器內(nèi)的等離子體密度；此外，還可以通過改變電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)而改變等離子體的參數(shù)，但是該方法僅局限于改變?nèi)斯ぶ圃斐鰜淼牡入x子體的參數(shù)，對(duì)于自然產(chǎn)生的等離子體(如閃電、電弧放電、高速運(yùn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生高溫)，目前還沒有很好的方法能夠解決。因此，目前在密閉的容器中對(duì)等離子體進(jìn)行參數(shù)控制的手段僅僅是改變腔體內(nèi)的密度和改變電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度，使其應(yīng)用受到限制，同時(shí)對(duì)于自然界中非封閉環(huán)境中產(chǎn)生的等離子體還不能進(jìn)行調(diào)控。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為了克服上述問題，提供一種改變等離子體參數(shù)的方法。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的改變等離子體參數(shù)的方法包括以下步驟采用離子產(chǎn)生裝置產(chǎn)生正離子，然后將正離子通入并與等離子體中的電子中和， 以改變等離子體的參數(shù)。所述離子產(chǎn)生裝置包括工作氣體儲(chǔ)存罐1、等離子體矩2、微波源3和線圈4 ；所述等離子體矩2包括同軸設(shè)置的外導(dǎo)體5、內(nèi)導(dǎo)體6、短路活塞7和噴口 8，所述短路活塞7位于外導(dǎo)體5和內(nèi)導(dǎo)體6之間；所述微波源3設(shè)置于外導(dǎo)體5前端的能量饋入點(diǎn)上，用于將能量饋入，外導(dǎo)體5和內(nèi)導(dǎo)體6及短路活塞7之間形成微波諧振腔9 ；所述外導(dǎo)體5前部外面纏繞包覆線圈4，用于通電后產(chǎn)生螺旋磁場(chǎng)，螺旋磁場(chǎng)的作用在于控制離子按一定的方向和速度運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將產(chǎn)生的離子和電子進(jìn)行分離。本發(fā)明所述方法具體包括以下步驟
1)工作氣體經(jīng)流量調(diào)節(jié)后進(jìn)入內(nèi)導(dǎo)體6中，微波源3通過內(nèi)導(dǎo)體6和外導(dǎo)體5給所述工作氣體提供能量，工作氣體吸收能量后發(fā)生電離，電離為帶有正電荷的離子和電子；2)所述帶有正電荷的離子和電子在外導(dǎo)體5包覆的螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，電子質(zhì)量小、回旋半徑較大而被腔體內(nèi)壁吸收，帶正電荷的離子則從噴口 8溢出；3)將分離得到的帶正電荷的離子通入到高電子密度的等離子體中，帶有正電荷的離子和帶負(fù)電的電子進(jìn)行中和，以改變等離子體的參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的改變等離子體參數(shù)的方法，所述步驟1)中還包括以下步驟通過調(diào)節(jié)和外導(dǎo)體5、內(nèi)導(dǎo)體6同軸套設(shè)的調(diào)節(jié)短路活塞7與外導(dǎo)體5之間的位置，使調(diào)節(jié)短路活塞7與內(nèi)導(dǎo)體6和外導(dǎo)體5所形成的諧振腔9長度為微波波長的3/4，以保證微波能量充分吸收。所述工作氣體為惰性氣體。用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明改變等離子體參數(shù)的方法的離子產(chǎn)生裝置中所述工作氣體儲(chǔ)存罐1上設(shè)有流量控制器10。所述短路活塞7與外導(dǎo)體5和內(nèi)導(dǎo)體6之間均采用螺紋連接，并且設(shè)有鎖緊裝置， 用螺紋旋進(jìn)、旋出的方法調(diào)節(jié)短路活塞與外導(dǎo)體及內(nèi)導(dǎo)體之間的相對(duì)位置，即調(diào)節(jié)好合適位置后通過鎖緊裝置鎖緊，防止移動(dòng)，內(nèi)導(dǎo)體也可以通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)位置，通過這種方式可以使調(diào)節(jié)更精確，且調(diào)節(jié)完成后，固定更容易。所述工作氣體儲(chǔ)存罐1采用的工作氣體為惰性氣體，包括氬氣或氦氣。“短路活塞”，是指在活塞端面處，形成電的短路面，在調(diào)節(jié)短路活塞的同時(shí)，觀測(cè)微波功率被吸收的情況，在某一點(diǎn)(諧振腔長度在3/4波長附近)微波功率可以最大限度被吸收，使微波功率達(dá)到最大限度的吸收利用，在氣體從噴口噴出的同時(shí)產(chǎn)生離子。根據(jù)本發(fā)明的改變等離子體參數(shù)的方法，所述方法基于的裝置是利用等離子體矩，在工作氣體、微波功率源、螺旋磁場(chǎng)的共同作用下，產(chǎn)生離子并使離子按照一定的方向和速度噴射出去(噴射到等離子體上)，達(dá)到改變等離子體密度的作用根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，其具體的實(shí)現(xiàn)方式為工作氣體經(jīng)流量控制器10的調(diào)節(jié)后進(jìn)入內(nèi)導(dǎo)體6中，調(diào)節(jié)短路活塞7的與外導(dǎo)體5之間的位置，使調(diào)節(jié)短路活塞7與內(nèi)導(dǎo)體 6和外導(dǎo)體5所形成的諧振腔長度在3/4波長左右，所述氣體在吸收微波源3所提供的能量發(fā)生電離，電離為帶有正電荷的離子和電子，所述帶有正電荷的離子和電子在螺線管通電后產(chǎn)生的沿腔體方向的磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其中電子質(zhì)量較小，回旋半徑較大，正離子質(zhì)量相對(duì)電子很大，回旋半徑較小，在帶電粒子通過內(nèi)導(dǎo)體6的過程中，電子由于回旋半徑較大而在腔體內(nèi)壁上被吸收，帶正電荷的離子在行進(jìn)過程中近似保持直線運(yùn)動(dòng)而從管口溢出，因而實(shí)現(xiàn)了帶正電荷離子和電子的分離，分離得到的帶正電荷的離子從內(nèi)導(dǎo)體6加速出來后進(jìn)入準(zhǔn)中性的需要被中和的高電子密度的等離子體中，通過正常的正離子和帶負(fù)電的電子進(jìn)行正負(fù)電荷的中和，達(dá)到減小等離子體密度的效果。同時(shí)在本發(fā)明中通過控制氣體流量， 微波功率，控制產(chǎn)生的離子密度，其中氣體流量大，微波功率越高，產(chǎn)生的離子密度越大，和等離子體進(jìn)行中和后，等離子體密度就低。具體數(shù)據(jù)可通過探針測(cè)試等離子體密度。因此本發(fā)明的裝置工作時(shí)，工作氣體以一定流量從氣瓶?jī)?nèi)流出，經(jīng)氣體導(dǎo)管的內(nèi)孔，從氣體噴口噴出，同時(shí)，螺旋磁場(chǎng)開始工作，微波源提供能量，在短路活塞調(diào)節(jié)匹配的情況下，微波能量被氣體吸收，產(chǎn)生離子，在螺旋磁場(chǎng)的作用下，離子噴向等離子體，達(dá)到改變等離子體參數(shù)的目的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1)通過本發(fā)明的方法對(duì)等離子體進(jìn)行參數(shù)的控制時(shí)不再局限于密閉的腔體中進(jìn)行，解決了自然界中產(chǎn)生的等離子體參數(shù)不能控制的問題，應(yīng)用更加廣泛。2)可以對(duì)特定區(qū)域(部位)的等離子體參數(shù)進(jìn)行控制，采用本發(fā)明的噴射離子的方法改變等離子體的參數(shù)，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)摩擦產(chǎn)生的等離子體有效，在判準(zhǔn)摩擦部位后，可以將離子作用于該處，改變等離子體密度，或者說由人工控制特定區(qū)域(部位)的等離子體密度，因此控制更加靈活。3)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置結(jié)構(gòu)小巧靈活，在有限的尺寸條件下，完成了能量饋入， 電離激發(fā)過程，這是其他電離裝置所不能達(dá)到的；通過改變微波能量大小及工作氣體流量， 能夠改變電離的離子能量和密度，從而對(duì)待中和部分等離子體參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)；噴口位置可以精確控制從而對(duì)需要中和的等離子體具體位置進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。4)本發(fā)明所述的方法中，可以調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)該方法的裝置中的螺旋磁場(chǎng)，進(jìn)而調(diào)整噴口處出流正負(fù)電荷比例，磁場(chǎng)增大可以將電子全部吸附與腔體內(nèi)壁，使得出流粒子束由正離子組成，進(jìn)而最大程度的中和電子；磁場(chǎng)減小能夠使得出流粒子束含有部分電子，進(jìn)而減小中和電子力度。


圖1為本發(fā)明的用于等離子體參數(shù)控制的離子產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 附圖標(biāo)識(shí)
1、工作氣體儲(chǔ)存罐2、等離子體矩3、微波源
4、線圈5、外導(dǎo)體6、內(nèi)導(dǎo)體
7、短路活塞8、噴口9、微波諧振腔
10、流量控制器11、氣體導(dǎo)管12、微波電纜
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的用于等離子體參數(shù)控制的離子產(chǎn)生裝置以及改變等離子體的方法作進(jìn)一步的說明。如圖1所示，本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)等離子體參數(shù)控制方法的裝置包括工作氣體儲(chǔ)存罐 1、等離子體矩2、微波源3、線圈4和流量控制器10 ；所述等離子體矩2包括同軸設(shè)置的外導(dǎo)體5、內(nèi)導(dǎo)體6、短路活塞7和噴口 8，所述短路活塞7位于外導(dǎo)體5和內(nèi)導(dǎo)體6之間；所述微波源3設(shè)置于外導(dǎo)體5前端的能量饋入點(diǎn)上，用于將能量饋入，外導(dǎo)體5和內(nèi)導(dǎo)體6及短路活塞7之間形成微波諧振腔9 ；所述外導(dǎo)體5前部外面纏繞包覆線圈4，用于通電后產(chǎn)生螺旋磁場(chǎng)，螺旋磁場(chǎng)的作用在于控制離子按一定的方向和速度運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將產(chǎn)生的離子和電子進(jìn)行分離。所述工作氣體儲(chǔ)存罐1上設(shè)有流量控制器10，所述短路活塞7與外導(dǎo)體5和內(nèi)導(dǎo)體6之間均采用螺紋連接，并且設(shè)有鎖緊裝置，用螺紋旋進(jìn)、旋出的方法調(diào)節(jié)短路活塞與外導(dǎo)體及內(nèi)導(dǎo)體之間的相對(duì)位置，即調(diào)節(jié)好合適位置后通過鎖緊裝置鎖緊，防止移動(dòng)，內(nèi)導(dǎo)體也可以通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)位置，通過這種方式可以使調(diào)節(jié)更精確，且調(diào)節(jié)完成后，固定更容易。
所述工作氣體儲(chǔ)存罐1采用的工作氣體為惰性氣體，“短路活塞”，是指在活塞端面處，形成電的短路面，在調(diào)節(jié)短路活塞的同時(shí)，觀測(cè)微波功率被吸收的情況，在某一點(diǎn)(諧振腔長度在3/4波長附近)微波功率可以最大限度被吸收，使微波功率達(dá)到最大限度的吸收利用，在氣體從噴口噴出的同時(shí)產(chǎn)生離子。根據(jù)本發(fā)明所述的改變離子體參數(shù)的方法，其具體包括工作氣體經(jīng)流量控制器 10的調(diào)節(jié)后進(jìn)入內(nèi)導(dǎo)體6中，調(diào)節(jié)短路活塞7的與外導(dǎo)體5之間的位置，使調(diào)節(jié)短路活塞 7與內(nèi)導(dǎo)體6和外導(dǎo)體5所形成的諧振腔長度在3/4波長左右，所述氣體在吸收微波源3 所提供的能量發(fā)生電離，電離為帶有正電荷的離子和電子，所述帶有正電荷的離子和電子在螺線管通電后產(chǎn)生的沿腔體方向的磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其中電子質(zhì)量較小，回旋半徑較大， 正離子質(zhì)量相對(duì)電子很大，回旋半徑較小，在帶電粒子通過內(nèi)導(dǎo)體6的過程中，電子由于回旋半徑較大而在腔體內(nèi)壁上被吸收，帶正電荷的離子在行進(jìn)過程中近似保持直線運(yùn)動(dòng)而從管口溢出，因而實(shí)現(xiàn)了帶正電荷離子和電子的分離，分離得到的帶正電荷的離子從內(nèi)導(dǎo)體6 加速出來后進(jìn)入準(zhǔn)中性的需要被中和的高電子密度的等離子體中，通過正常的正離子和帶負(fù)電的電子進(jìn)行正負(fù)電荷的中和，達(dá)到減小等離子體密度的效果。同時(shí)在本發(fā)明中通過控制氣體流量，微波功率，控制產(chǎn)生的離子密度，其中氣體流量大，微波功率越高，產(chǎn)生的離子密度越大，和等離子體進(jìn)行中和后，等離子體密度就低。具體數(shù)據(jù)可通過探針測(cè)試等離子體
也/又。最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種改變等離子體參數(shù)的方法，其特征在于，所述方法通過離子產(chǎn)生裝置產(chǎn)生正離子，將正離子通入等離子體中與等離子體中的電子中和，以改變等離子體的參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改變等離子體參數(shù)的方法，其特征在于，所述離子產(chǎn)生裝置包括工作氣體儲(chǔ)存罐(1)、等離子體矩O)、微波源(3)和線圈；所述等離子體矩( 包括同軸設(shè)置的外導(dǎo)體(5)、內(nèi)導(dǎo)體(6)、短路活塞(7)和噴口 (8)，所述短路活塞(7)設(shè)置于外導(dǎo)體( 和內(nèi)導(dǎo)體(6)之間；所述微波源C3)設(shè)置于外導(dǎo)體(5)前端的能量饋入點(diǎn)上，用于將能量饋入，外導(dǎo)體(5)和內(nèi)導(dǎo)體(6)及短路活塞(7)之間形成微波諧振腔(9)；所述外導(dǎo)體( 前部外面纏繞包覆線圈G)，用于通電后產(chǎn)生螺旋磁場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改變等離子體參數(shù)的方法，其特征在于，所述工作氣體儲(chǔ)存罐(1)上設(shè)有流量控制器(10)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改變等離子體參數(shù)的方法，其特征在于，所述短路活塞(7)與外導(dǎo)體( 和內(nèi)導(dǎo)體(6)之間均采用螺紋連接，并且設(shè)有鎖緊裝置，用來移動(dòng)和固定該短路活塞(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改變等離子體參數(shù)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟1)工作氣體經(jīng)流量調(diào)節(jié)后進(jìn)入內(nèi)導(dǎo)體(6)中，微波源C3)通過內(nèi)導(dǎo)體(6)和外導(dǎo)體(5) 給所述工作氣體提供能量，工作氣體吸收能量后發(fā)生電離，電離為帶有正電荷的離子和電子；2)所述帶有正電荷的離子和電子在外導(dǎo)體(5)包覆的螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 電子質(zhì)量小、回旋半徑較大而被腔體內(nèi)壁吸收，帶正電荷的離子則從噴口(8)溢出；3)將分離得到的帶正電荷的離子通入到高電子密度的等離子體中，帶有正電荷的離子和帶負(fù)電的電子進(jìn)行中和，以改變等離子體的參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的改變等離子體參數(shù)的方法，其特征在于，所述步驟1)中還包括以下步驟通過調(diào)節(jié)和外導(dǎo)體(5)、內(nèi)導(dǎo)體(6)同軸套設(shè)的調(diào)節(jié)短路活塞(7)與外導(dǎo)體( 之間的位置，使調(diào)節(jié)短路活塞(7)與內(nèi)導(dǎo)體(6)和外導(dǎo)體( 所形成的諧振腔(9)長度為微波波長的3/4，以保證微波能量充分吸收。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改變等離子體參數(shù)的方法，其特征在于，所述步驟1)中通過流量控制器(10)控制工作氣體的流量。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改變等離子體參數(shù)的方法，其特征在于，所述步驟1)中工作氣體為惰性氣體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改變等離子體參數(shù)的方法。所述方法通過離子產(chǎn)生裝置產(chǎn)生正離子，將正離子通入等離子體中與等離子體中的電子中和，以改變等離子體的參數(shù)。所述離子產(chǎn)生裝置包括工作氣體儲(chǔ)存罐(1)、等離子體矩(2)、微波源(3)、線圈(4)；所述等離子體矩(2)包括同軸設(shè)置的外導(dǎo)體(5)、內(nèi)導(dǎo)體(6)、短路活塞(7)和噴口(8)，所述短路活塞(7)設(shè)置于外導(dǎo)體(5)和內(nèi)導(dǎo)體(6)之間；所述微波源(3)設(shè)置于外導(dǎo)體(5)前端的能量饋入點(diǎn)上；所述外導(dǎo)體(5)前部外面纏繞包覆線圈(4)，用于通電后產(chǎn)生螺旋磁場(chǎng)。本發(fā)明的方法不再局限于密閉的腔體中進(jìn)行，同時(shí)解決了自然界中產(chǎn)生的等離子體參數(shù)不能控制的問題。
文檔編號(hào)H05H1/24GK102413627SQ20111020745
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者丁亮, 吳逢時(shí), 孫海龍, 孫簡(jiǎn), 徐躍民, 楊新杰, 鑒福升, 霍文青 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心